Feedback over de koolstofcyclus:als het gaat om het begrijpen van de rol van bossen bij het afgeven en vastleggen van koolstofdioxide, dat zijn drie woorden waar veel wetenschap in zit. In een nieuwe studie, onderzoekers onder leiding van Pacific Northwest National Laboratory hebben de complexe rol van het ecosysteem bij het versterken of dempen van de concentratie van koolstofdioxide (CO2) in de atmosfeer in een aardsysteemmodel opgenomen.

Het is een proces dat dynamische vegetatie wordt genoemd, waarbij planten hun leefgebied kunnen verschuiven als reactie op veranderingen in de omgeving, zoals een warmer weersysteem of beperkte voedingsstoffen. Met behulp van een landsysteemmodel met dynamische vegetatie ingeschakeld of uitgeschakeld, het onderzoeksteam ontdekte dat stikstof en zijn interactie met planten een sterke invloed heeft op hoe planten reageren op veranderingen in het milieu. Deze invloed kan leiden tot versterking of vermindering van kooldioxide, die in de eerste plaats verantwoordelijk is voor de veranderingen in het milieu. Het onderzoek toonde aan hoe effectieve modellering van dynamische vegetatie en de stikstofcyclus het begrip van de koolstofcyclus en toekomstige klimaatveranderingen kan vergroten.

Het terrestrische ecosysteem speelt een grote rol in de koolstofcyclus van de aarde door CO2 uit de atmosfeer in en uit te ademen. Een hoger CO2-niveau helpt planten de energie van de zon efficiënter te gebruiken voor fotosynthese, waardoor ze meer CO2 uit de atmosfeer halen (inademen). Anderzijds, een hoger CO2-gehalte in de atmosfeer leidt tot hogere temperaturen, die hittestress kan veroorzaken bij planten en de organische stof in het strooisel van de oppervlakteplanten en de grond kan bespoedigen om te ontbinden. Zowel de verhoogde stress als de snellere afbraak van organisch materiaal brengen meer CO2 in de atmosfeer dan er wordt verwijderd door de verhoogde fotosynthese. Deze netto toename van CO2-uitademing door planten naarmate CO2 in de atmosfeer toeneemt, is een positieve koolstofcyclusfeedback die CO2 in de atmosfeer versterkt.

Maar hier gooit stikstof een sleutel in de tandwielen van de koolstofcyclus. Snellere afbraak van organische koolstof maakt meer stikstof beschikbaar voor planten, hen te helpen meer CO2 op te nemen naarmate ze groeien, het verminderen van de atmosferische niveaus. Dit is een negatieve koolstofcyclusfeedback. Echter, de sterkte van deze negatieve koolstofcyclusfeedback is afhankelijk van het feit of het vegetatietype mag verschuiven met veranderingen in de omgeving, omdat sommige planten meer stikstof nodig hebben dan andere. Deze studie toonde aan hoe de stikstofcyclus en dynamische vegetatie en hun interactie bepalen hoe planten over de hele wereld de toename van atmosferische CO2 en de bijbehorende klimaatopwarming kunnen versterken of dempen.

Onder de modellen van het aardsysteem die in 2013 hebben bijgedragen aan het vijfde beoordelingsrapport van het Intergouvernementeel Panel voor klimaatverandering (IPCC) slechts een handvol omvatte dynamische vegetatie, en nog minder namen de stikstofkringloop op. Het bewijs groeit dat deze twee processen een sleutelrol zullen spelen in de toekomstige koolstofcyclus.

Wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory en hun medewerkers bestudeerden een van de weinige wereldwijde landmodellen, het Community Land Model versie 4, dat in staat is om veranderingen in vegetatiebedekking te simuleren die reageren op zowel het veranderende klimaat als de stikstofcyclus. Door een reeks simulaties uit te voeren voor verschillende klimaat- en CO2-veranderingsscenario's, ze waren in staat om de gevoeligheid van terrestrische koolstof voor klimaatopwarming en CO2-toename te berekenen. De koolstofgevoeligheid van het land is een belangrijke factor die de terugkoppeling naar CO2-toename vormt. Het effect van vegetatieverandering op deze factor is zelden onderzocht. Het team herhaalde dezelfde reeks experimenten zonder een dynamisch vegetatiemodel.

Hun analyse toonde een significant verschil in de potentiële sterkte van de koolstofcyclusfeedback met en zonder de dynamische vegetatiebedekking die reageert op de klimaattoestand. Het team vond ook een verband tussen de opkomende kenmerken van de stikstofbehoefte van planten door een ontoereikende weergave van plantenconcurrentie in het dynamische vegetatiemodel over de tropen en subtropen. Uit de analyse bleek ook dat fouten bij het simuleren van vegetatiebedekking zich naar grotere schaal kunnen voortplanten door interactie met de stikstofcyclus. Het onderzoek illustreerde een specifiek voorbeeld van een dergelijke foutpropagatie om de inspanningen voor modelontwikkeling te sturen.

Nu de relevante vegetatieprocessen zijn verbeterd in de volgende generatie aardsysteemmodellen, representatie van de koolstofcyclusfeedback kan beter worden gekarakteriseerd. Toekomstige studies zullen simulaties uitvoeren met het globale landmodel gekoppeld aan atmosfeer, oceaan, en andere modellen van componenten van het aardsysteem om koolstof-klimaatinteracties te kwantificeren, met een bijzondere focus op de tropische bosomgeving.